CN111592974A - 一种三相一体推流式沼气发酵系统及发酵方法 - Google Patents

Abstract

一种三相一体推流式沼气发酵系统及发酵方法,所述三相一体推流式沼气发酵系统包括反应管道，水解相HCl喷淋装置，酸化相HCl或NaOH喷淋装置，以及产甲烷相NaOH喷淋装置。所述水解相HCl喷淋装置与所述反应管道相连通以在反应管道上形成水解区并用于向所述反应管道的内部喷淋HCl溶液。所述酸化相HCl或NaOH喷淋装置与所述反应管道相连通以在反应管道上形成酸化区并用于向所述反应管道的内部喷淋HCl溶液或NaOH溶液。所述产甲烷相NaOH喷淋装置与所述反应管道相连通以在反应管道上形成产甲烷区并用于向所述反应管道的内部喷淋NaOH溶液。本发酵系统随着物料的持续加入推动反应装置中的物料从另一端排出，进而使得无需物料提升，能源消耗低。

Description

一种三相一体推流式沼气发酵系统及发酵方法

技术领域

本发明涉及沼气发酵技术领域，特别涉及一种三相一体推流式沼气发酵系统及发酵方法。

背景技术

沼气发酵技术是生物质有机固废物处理领域常用的生物处理技术，可用于秸秆的减量化和生态循环利用。沼气发酵技术通过厌氧微生物的代谢作用，将复杂的有机物大分子逐步分解为沼气，在废弃物减量化的同时获得沼气能源，从而形成环境和经济效益。

沼气发酵过程主要有四个阶段：水解阶段，酸化阶段，产乙酸阶段和产甲烷阶段。单相发酵工艺中，四个阶段的生化反应可以在一个体系中进行。但是非产甲烷阶段的微生物种类多，生长繁殖快，遇到易降解有机物可以生产大量有机酸。非产甲烷阶段的最适生长pH值为5.0-6.0。然而产甲烷阶段对环境条件要求苛刻，繁殖缓慢，其最适生长pH值为6.5-7.5。同时产甲烷阶段在大量有机酸体系中容易出现生长抑制，造成产酸和产甲烷两相分离，从而导致沼气发酵失败。

基于单相反应器的繁杂与沼气发酵四阶段原理，两相反应器应运而生，其基本原理是将产酸和产甲烷过程在两个反应器内完成以达到分离的目的。两相反应器之间一般通过串联的方式操作运行。对于秸秆类物料，为了发酵顺利进行并方便两相反应器之间的物料流动，发酵液浓度一般小于15％，从而造成反应器体积较大，用水量较高，而且两相反应器之间的物料提升需要额外能源来提供动力。

为了解决反应器体积太大的缺陷，目前有使用高浓度发酵来解决该问题。高浓度发酵是将物料干物质浓度控制在15％～40％之间，从而可以大大缩小反应器体积，提高容积产气率。但是，高浓度发酵存在的不足在于反应器传热传质受限，有机酸积累和水力停留时间较长，使得总体工作效率较低。

目前常常使用的两相反应器为推流式反应器。推流式反应器是一种变相的两相反应装置，物料从一端进入，随着物料的持续加入从而推动反应装置中的物料从另一端排出。在推流式反应器中，由于进料端水解酸化作用较强，产甲烷阶段随着物料向出料方向流动而增强，并呈现出渐进式的由酸化相向产甲烷相逐渐转变。然而在推流式反应器中，物料干物质浓度需要低于8％，因此也不能达到缩小反应器体积和提高容积产气率的目的。

另外，还有一种秸秆的酸性预处理技术，其通过加快水解过程，达到提高物料的可降解性能和提高物料产气效率的目的。但因为目前预处理环节与沼气发酵环节相分离，造成物料提升和转移从而导致额外的能源消耗。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种可以克服上述弊端的三相一体推流式沼气发酵系统及发酵工艺，以解决上述问题。

一种三相一体推流式沼气发酵系统,其包括一个反应管道，一个设置在所述反应管道上的水解相HCl喷淋装置，一个设置在所述反应管道上的酸化相HCl 或NaOH喷淋装置，以及一个设置在所述反应管道上的产甲烷相NaOH喷淋装置。所述酸化相HCl或NaOH喷淋装置设置在所述水解相HCl喷淋装置与产甲烷相 NaOH喷淋装置之间。所述水解相HCl喷淋装置与所述反应管道相连通以在反应管道上形成水解区并用于向所述反应管道的内部喷淋HCl溶液。通过在水解区喷淋HCl溶液使水解区的pH值介于4～5。所述酸化相HCl或NaOH喷淋装置与所述反应管道相连通以在反应管道上形成酸化区并用于向所述反应管道的内部喷淋HCl溶液或NaOH溶液。通过在酸化区喷淋HCl溶液或NaOH溶液使酸化区的pH值介于5～7。所述产甲烷相NaOH喷淋装置与所述反应管道相连通以在反应管道上形成产甲烷区并用于向所述反应管道的内部喷淋NaOH溶液。通过在产甲烷区喷淋NaOH溶液使产甲烷区的pH值介于7～8。

进一步地，所述反应管道为蛇形往复结构或由内向外的螺旋管道。

进一步地，所述三相一体推流式沼气发酵系统还包括一个设置在所述反应管道上的进料口，所述进料口用于投加生物质原料和活化后的接种物。

进一步地，所述活化后的接种物由浓度为8％～15％的物质，活化温度为35～ 38℃，活化时间为1～5天。

进一步地，所述生物质原料在投入进料口前，需要预处理即使用1％～5％HCl 喷淋生物质原料粉碎物使其含水量介于60％～85％，并在35～38℃条件下停留0.5-2天。

进一步地，所述三相一体推流式沼气发酵系统还包括一个设置在所述反应管道上的沼气发酵反应器罐体，一个设置在所述反应管道上的出气口，以及一个设置在所述反应管道上的出料口，所述沼气发酵反应器罐体设置在所述产甲烷相NaOH喷淋装置与出气口之间，所述出气口设置在所述沼气发酵反应器罐体与所述出料口之间。

一种三相一体推流式沼气发酵工艺，其包括如下步骤：

提供活化后的接种物，所述活化后的接种物由浓度为8％～15％的物质，活化温度为35～38℃，活化时间为1～5天；

提供生物质原料并对该生物质原料进行预处理，即使用1％～5％HCl喷淋生物质原料粉碎物使其含水量介于60％～85％，并在35～38℃条件下停留0.5-2天；

提供一个反应管道，一个设置在所述反应管道上的水解相HCl喷淋装置，一个设置在所述反应管道上的酸化相HCl或NaOH喷淋装置，以及一个设置在所述反应管道上的产甲烷相NaOH喷淋装置，所述水解相HCl喷淋装置与所述反应管道相连通以在反应管道上形成水解区并用于向所述反应管道的内部喷淋HCl 溶液，所述酸化相HCl或NaOH喷淋装置与所述反应管道相连通以在反应管道上形成酸化区并用于向所述反应管道的内部喷淋HCl溶液或NaOH溶液，所述产甲烷相NaOH喷淋装置与所述反应管道相连通以在反应管道上形成产甲烷区并用于向所述反应管道的内部喷淋NaOH溶液；

将所述活化后的接种物及预处理后的生物质原料投入所述反应管道并保留 15～30天以在该反应管道内形成酸化相与产甲烷相的渐变分离；

每天向所述反应管道投入预处理后的生物质原料使发酵运行，同时每天通过水解相HCl喷淋装置在水解区喷淋HCl溶液使水解区的pH值介于4～5，通过酸化相HCl或NaOH喷淋装置在酸化区喷淋HCl溶液或NaOH溶液使酸化区的pH 值介于5～7,通过所述产甲烷相NaOH喷淋装置在产甲烷区喷淋NaOH溶液使产甲烷区的pH值介于7～8；

使所述反应管道内的生物质物料进行反应并使使发酵稳定运行以产生沼气。

进一步地，所述反应管道放于36至40℃的气候箱中恒温运行。

进一步地，在投入活化后的接种物后，该活化后的接种物的用量为反应管道的工作体积的1/3～2/3。

进一步地，每天投入所述预处理的生物质原料的有机负荷为10～25g干物质/升/天。

与现有技术相比，本发明提供的三相一体推流式沼气发酵系统及发酵工艺中所使用的反应管道可以制成蛇形或螺旋形，从而可以减小整个系统的体积，而所述反应管道上还依次设置水解相HCl喷淋装置，酸化相HCl或NaOH喷淋装置，以及产甲烷相NaOH喷淋装置，并通过分别控制三相中合适的pH值，实现功能分离，使细菌水解、产酸菌、产甲烷菌在各相中分别达到最优生长状态，从而达到提高物料浓度、提升总体反应效率的目的，产气效率高，而且该发酵系统结构简单，运行方便，故障少。同时水解区，酸化区，以及产甲烷区位于一个反应管道上，从而随着物料的持续加入从而推动反应装置中的物料从另一端排出，进而使得无需物料提升，能源消耗低。

附图说明

图1为本发明提供的三相一体推流式沼气发酵系统的原理示意图。

图2为本发明提供的一三相一体推流式沼气发酵系统的截面原理示意图。

具体实施方式

以下对本发明的具体实施例进行进一步详细说明。应当理解的是，此处对本发明实施例的说明并不用于限定本发明的保护范围。

如图1至图2所示，其为本发明提供的一种三相一体推流式沼气发酵系统的结构原理示意图。所述三相一体推流式沼气发酵系统包括一个反应管道10，一个设置在所述反应管道10的一端的进料口11，一个设置在所述反应管道10 上的水解相HCl喷淋装置12，一个设置在所述反应管道10上的酸化相HCl或 NaOH喷淋装置13，以及一个设置在所述反应管道10上的产甲烷相NaOH喷淋装置14，一个设置在所述反应管道10上的沼气发酵反应器罐体15，多个设置在所述反应管道10上的出气口16，以及一个设置在所述反应管道10上的出料口 17。可以想到的是，所述三相一体推流式沼气发酵系统还包括一些动力装置，组装组件，设置在所述反应管道10两端的端盖，以及设置在端盖上的开口及盖子等等，其为本领域技术人员的习知技术，在此不再一一详细说明。

所述反应管道10可以由PVC材料制成的透明玻璃管，内径可以为10厘米左右，管体总长度为200厘米。当然可以想到的是，在本实施例中，所述反应管道10尺寸仅为了举例，其实际尺寸可以根据实际的需要设置，如每天要处理的秸秆量。为了减小该反应管道10的占地面积，所述反应管道10可以为蛇形往复结构或由内向外的螺旋管道，也可以为一条直的管道，甚至是根据场地要求，可以通过合理的“折叠”，实现因地制宜的形状，且该反应管道10的两端使用端盖密闭。在本实施例中所述反应管道10为蛇形结构。所述反应管道10 可以是水平放置，也可以向下倾斜设置，还可以是螺旋向下。在本实施例中，所述反应管道10水平放置。为了保证整个反应可以顺利运行，所述反应管道10 放于36至40℃的气候箱中恒温运行。

所述进料口11设置在所述反应管道10的轴向一端，用于投入各种物料，如活化后的接种物，预处理后的生物质原料等。在本实施例中，所述进料口11 为一个直径4厘米的圆孔。当然在不从所述进料口11投料时，所述进料口11 被一个密封塞来密封。所述进料口11用于投加预处理后的生物质原料和活化后的接种物。所述活化后的接种物由浓度为8％～15％的物质，活化温度为35～38℃，活化时间为1～5天后制成。所述生物质原料在投入进料口前，需要预处理即使用1％～5％HCl喷淋生物质原料粉碎物使其含水量介于60％～85％，并在35～38℃条件下停留0.5-2天。所述生物质原料可以为秸秆，或者是畜牧养殖业、林业、木业、果蔬产业、微藻生产、能源作物等相关领域产生的物料。

所述水解相HCl喷淋装置12与所述进料口11间隔设置，其与所述反应管道10相连通以在该反应管道10上形成水解区。所述水解相HCl喷淋装置12设置在所述反应管道10上并用于将HCl溶液喷淋向所述反应管道10内中的生物质原料以使水解区的pH值介于4～5。所述水解相HCl喷淋装置12本身的结构可以为现有技术，其包括一个喷淋头，以及一个将所述HCl溶液泵向所述喷淋头的水泵。所述喷淋头用于将所述HCl溶液均匀地喷向生物质原料。所述HCl 溶液的用量要使水解区的pH值介于4～5。在该水解区，物料进行酸水解及微生物水解反应，将大分子的木质纤维素水解为小分子糖类等物质。

所述酸化相HCl或NaOH喷淋装置13与所述水解相HCl喷淋装置12间隔设置，具体间隔距离可以为50厘米左右，其与所述反应管道10相连通以在该反应管道10上形成酸化区。所述酸化相HCl或NaOH喷淋装置13设置在所述水解相HCl喷淋装置12与产甲烷相NaOH喷淋装置14之间。所述酸化相HCl或NaOH 喷淋装置13设置在所述反应管道10上并用于将HCl或NaOH溶液喷淋向所述反应管道10内中的物料以使酸化区的pH值介于5～7。所述酸化相HCl或NaOH喷淋装置13的结构及工作原理与所述水解相HCl喷淋装置12的结构及工作原理相同，在此不再赘述。在该酸化区，随着进料口11物料的输入，物料由水解相移动至酸化相，在稍高的pH条件下小分子化合物即小分子糖类等物质在产酸菌的作用下分解为挥发性脂肪酸。

所述产甲烷相NaOH喷淋装置14与所述酸化相HCl或NaOH喷淋装置13间隔设置，具体间隔距离可以为50厘米左右，其与所述反应管道10相连通以在该反应管道10上形成产甲烷区。所述产甲烷相NaOH喷淋装置14设置在所述反应管道10上并用于将NaOH溶液喷淋向所述反应管道10内中的物料以使产甲烷区的pH值介于7～8。所述产甲烷相NaOH喷淋装置14的结构及工作原理与所述水解相HCl喷淋装置12的结构及工作原理相同，在此不再赘述。在该产甲烷区，随着投料端物料的持续输入，物料由酸化相进入产甲烷相，在产甲烷菌的代谢作用下，由乙酸、丙酸等无机酸合成甲烷和二氧化碳，产生沼气。

所述沼气发酵反应器罐体15与所述产甲烷相NaOH喷淋装置14间隔设置。由于发酵过程是一种微生物反应，所以要求物料与微生物的混合充分均匀，以便于反应的持续进行，所述沼气发酵反应器罐体15就是为了使该反应持续进行，其本身为一种现有技术，如专利号CN201020658436.7，专利名称为沼气发酵反应器所公开的技术方案，因此，在此不再赘述。所述沼气发酵反应器罐体15设置在所述产甲烷相NaOH喷淋装置14与出气口16之间。

所述出气口16可以具有多个，因为在任意一个阶段都会有或多或少的沼气气体产生，因此为了充分收集沼气，在所述反应管道10的各个阶段都设置相应的出气口16在达到充分收集。所述出气口16设置在所述水解相HCl喷淋装置 12与所述出料口17之间，每一个出气口16可以与一个气体收集袋连接，以收集所产生的沼气，其为现有技术，在此不再赘述。

所述出料口17设置在所述反应管道10的另一端的端盖上，其尺寸也可以为一个4厘米左右的圆孔。该出料口17用于将降解后的生物质原料被推顶出，以利于发酵持续进行。

本发明还提供了一种三相一体推流式沼气发酵方法，其包括以下步骤：

STEP101：提供活化后的接种物，所述活化后的接种物由浓度为8％～15％的物质，活化温度为35～38℃，活化时间为1～5天后制成；

STEP102：提供生物质原料并对该生物质原料进行预处理，即使用1％～5％HCl 喷淋生物质原料粉碎物使其含水量介于60％～85％，并在35～38℃条件下停留 0.5-2天；

STEP103：提供一个反应管道10，一个设置在所述反应管道10上的水解相 HCl喷淋装置12，一个设置在所述反应管道10上的酸化相HCl或NaOH喷淋装置13，以及一个设置在所述反应管道10上的产甲烷相NaOH喷淋装置14，所述水解相HCl喷淋装置12与所述反应管道10相连通以在反应管道10上形成水解区并用于向所述反应管道10的内部喷淋HCl溶液，所述酸化相HCl或NaOH喷淋装置13与所述反应管道10相连通以在反应管道10上形成酸化区并用于向所述反应管道的内部喷淋HCl溶液或NaOH溶液，所述产甲烷相NaOH喷淋装置14 与所述反应管道10相连通以在反应管道10上形成产甲烷区并用于向所述反应管道10的内部喷淋NaOH溶液；

STEP104：将所述活化后的接种物及预处理后的生物质原料投入所述反应管道10并保留15～30天以在该反应管道内形成酸化相与产甲烷相的渐变分离；

STEP105：每天向所述反应管道10投入预处理后的生物质原料使发酵运行，同时每天通过水解相HCl喷淋装置12在水解区喷淋HCl溶液使水解区的pH值介于4～5，通过酸化相HCl或NaOH喷淋装置13在酸化区喷淋HCl溶液或NaOH 溶液使酸化区的pH值介于5～7,通过所述产甲烷相NaOH喷淋装置14在产甲烷区喷淋NaOH溶液使产甲烷区的pH值介于7～8；

STEP106：使所述反应管道10内的生物质物料进行反应并使使发酵稳定运行以产生沼气。

在步骤STEP101中，所述接种物，可以使用本领域常用接种物，如河底污泥、沼气工程发酵液等领域中提取出的液体进行接种和活化。具体地，接种物采集于牛粪沼气工程，固含量10％。接种物投放体积为6L，记录液面在反应管道10内的高度。而后在38℃人工气候箱中活化培养3天。在投入活化后的接种物后，该活化后的接种物的用量为反应管道的工作体积的1/3～2/3。

在步骤STEP102中，所述生物质原料如秸秆，首先将秸秆通过机械粉碎方式，使粉碎后粒径控制为0.5-5cm。取粉碎后粒径为0.5cm左右的秸秆，放入整理箱，使用1％HCl溶液喷淋，至含水量达80％，后放置3天，制成预处理后的生物质原料。

在步骤STEP103中，所述反应管道放于36至40℃的气候箱中恒温运行。

在步骤STEP105中,每天投入所述预处理的生物质原料的有机负荷为10～ 25g干物质/升/天,以保证发酵可以持续进行。

与现有技术相比，本发明提供的三相一体推流式沼气发酵系统及发酵工艺中所使用的反应管道10可以制成蛇形或螺旋形，从而可以减小整个系统的体积，而所述反应管道10上还依次设置水解相HCl喷淋装置12，酸化相HCl或NaOH 喷淋装置13，以及产甲烷相NaOH喷淋装置14，并通过分别控制三相中合适的 pH值，实现功能分离，使细菌水解、产酸菌、产甲烷菌在各相中分别达到最优生长状态，从而达到提高物料浓度、提升总体反应效率的目的，产气效率高，而且该发酵系统结构简单，运行方便，故障少。同时水解区，酸化区，以及产甲烷区位于一个反应管道10上，从而随着物料的持续加入从而推动反应管道10 中的物料从另一端排出，进而使得无需物料提升，能源消耗低。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用于局限本发明的保护范围，任何在本发明精神内的修改、等同替换或改进等，都涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种三相一体推流式沼气发酵系统，其特征在于：所述三相一体推流式沼气发酵系统包括一个反应管道，一个设置在所述反应管道上的水解相HCl喷淋装置，一个设置在所述反应管道上的酸化相HCl或NaOH喷淋装置，以及一个设置在所述反应管道上的产甲烷相NaOH喷淋装置，所述酸化相HCl或NaOH喷淋装置设置在所述水解相HCl喷淋装置与产甲烷相NaOH喷淋装置之间，所述水解相HCl喷淋装置与所述反应管道相连通以在反应管道上形成水解区并用于向所述反应管道的内部喷淋HCl溶液，通过在水解区喷淋HCl溶液使水解区的pH值介于4～5，所述酸化相HCl或NaOH喷淋装置与所述反应管道相连通以在反应管道上形成酸化区并用于向所述反应管道的内部喷淋HCl溶液或NaOH溶液，通过在酸化区喷淋HCl溶液或NaOH溶液使酸化区的pH值介于5～7,所述产甲烷相NaOH喷淋装置与所述反应管道相连通以在反应管道上形成产甲烷区并用于向所述反应管道的内部喷淋NaOH溶液，通过在产甲烷区喷淋NaOH溶液使产甲烷区的pH值介于7～8。

2.如权利要求1所述的三相一体推流式沼气发酵系统，其特征在于：所述反应管道为蛇形往复结构或由内向外的螺旋管道。

3.如权利要求1所述的三相一体推流式沼气发酵系统，其特征在于：所述三相一体推流式沼气发酵系统还包括一个设置在所述反应管道上的进料口，所述进料口用于投加生物质原料和活化后的接种物。

4.如权利要求3所述的三相一体推流式沼气发酵系统，其特征在于：所述活化后的接种物由浓度为8％～15％的物质，活化温度为35～38℃，活化时间为1～5天。

5.如权利要求3所述的三相一体推流式沼气发酵系统，其特征在于：所述生物质原料在投入进料口前，需要预处理即使用1％～5％HCl喷淋生物质原料粉碎物使其含水量介于60％～85％，并在35～38℃条件下停留0.5-2天。

6.如权利要求1所述的三相一体推流式沼气发酵系统，其特征在于：所述三相一体推流式沼气发酵系统还包括一个设置在所述反应管道上的沼气发酵反应器罐体，多个设置在所述反应管道上的出气口，以及一个设置在所述反应管道上的出料口，所述沼气发酵反应器罐体设置在所述产甲烷相NaOH喷淋装置与一个出气口之间，多个所述出气口分别设置在所述水解相HCl喷淋装置与所述出料口之间。

7.一种三相一体推流式沼气发酵工艺，其包括如下步骤：

提供活化后的接种物，所述活化后的接种物由浓度为8％～15％的物质，活化温度为35～38℃，活化时间为1～5天后制成；

提供生物质原料并对该生物质原料进行预处理，即使用1％～5％HCl喷淋生物质原料粉碎物使其含水量介于60％～85％，并在35～38℃条件下停留0.5-2天；

提供一个反应管道，一个设置在所述反应管道上的水解相HCl喷淋装置，一个设置在所述反应管道上的酸化相HCl或NaOH喷淋装置，以及一个设置在所述反应管道上的产甲烷相NaOH喷淋装置，所述水解相HCl喷淋装置与所述反应管道相连通以在反应管道上形成水解区并用于向所述反应管道的内部喷淋HCl溶液，所述酸化相HCl或NaOH喷淋装置与所述反应管道相连通以在反应管道上形成酸化区并用于向所述反应管道的内部喷淋HCl溶液或NaOH溶液，所述产甲烷相NaOH喷淋装置与所述反应管道相连通以在反应管道上形成产甲烷区并用于向所述反应管道的内部喷淋NaOH溶液；

将所述活化后的接种物及预处理后的生物质原料投入所述反应管道并保留15～30天以在该反应管道内形成酸化相与产甲烷相的渐变分离；

每天向所述反应管道投入预处理后的生物质原料使发酵运行，同时每天通过水解相HCl喷淋装置在水解区喷淋HCl溶液使水解区的pH值介于4～5，通过酸化相HCl或NaOH喷淋装置在酸化区喷淋HCl溶液或NaOH溶液使酸化区的pH值介于5～7,通过所述产甲烷相NaOH喷淋装置在产甲烷区喷淋NaOH溶液使产甲烷区的pH值介于7～8；

使所述反应管道内的生物质物料进行反应并使使发酵稳定运行以产生沼气。

8.如权利要求7所述的三相一体推流式沼气发酵工艺，其特征在于：所述反应管道放于36至40℃的气候箱中恒温运行。

9.如权利要求8所述的三相一体推流式沼气发酵工艺，其特征在于：在投入活化后的接种物后，该活化后的接种物的用量为反应管道的工作体积的1/3～2/3。

10.如权利要求9所述的三相一体推流式沼气发酵工艺，其特征在于：每天投入所述预处理的生物质原料的有机负荷为10～25干物质/升/天。

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